< 화공종합설계 1> 에서의 PBL (Problem Based Learning) 설계 과제 2011. 3. 2 임영일 (limyi@hknu.ac.kr)

1. <화공종합설계 1> 에서의PBL (Problem Based Learning) 설계 과제2011. 3. 2임영일 (limyi@hknu.ac.kr) 본 자료는 2007. 10. 16. 서울의대 신좌섭 교수의 발표를 바탕으로 작성되었습니다.

2. 동아일보 2008년 5월 24일 기사<교수가 변해야 대학이 산다> 참담하다. 영점 맞은 답안지를 돌려받은 기분이다. 스위스 국제경영개발원(IMD)이 매년 발간하는 세계경쟁력 연차보고서에 따르면 올해 한국은 대학교육의 경제사회 요구 부합도를 평가하는 항목에서 조사대상국 54개국 중 53위라는 불명예를 차지했다. 전반적인 교육경쟁력은 35위에 그쳤고 기술경쟁력은 작년 6위에서 8계단이나 내려간 14위를 기록했다. 산업변화 못따르는 이론중심 교육 이 성적표가 10년 뒤 우리나라의 전체 성적표가 되지 않을까 우려된다. 솔직히 말하면 평가 방법에서 문제가 있었다고, 또 한국의 실정을 모르고 내린 결론이라고 반론을 제기하고 싶다. 그러나 좀 더 우리 문제를 들여다보면 외부평가 결과가 전혀 틀린 것이 아니다. 오히려 지금까지 우리 모두가 잘 알고 있으면서도 인정하기를 꺼려왔던 한국 교육 현실의 치부를 낯선 외국인들이 대신 지적해 준 것으로 볼 수 있다. 대학교육의 문제는 어제오늘의 일이 아니다. 대학입시를 위한 교육이 전부이고 입시 관문만 통과하면 그 이후의 교육은 대부분 사람의 관심에서 사라진다. 반면에 국가경쟁력의 원동력은 고등교육, 특히 대학교육의 질에 달려 있다. 대학의 학부교육에서 배운 내용이 세계적 연구의 밑거름이 되고 기업의 경쟁력을 높이는 근간이 된다. 그러나 현실은 어떠한가. 대학의 고객인 학생들은 비전 상실과 자신감 저하로 방황하고 있고 산업 구조의 변화에 대한 적응력을 제대로 키우지 못하고 있다. 인재들의 수요처인 기업에서는 대학교육이 현장활용력이 떨어지는 이론 중심의 지식만 가르친다고 불만이다. 그런데도 학부교육은 대학 본연의 목표가 아니라 대학을 유지하기 위한 볼모로 취급되고 있다. 상위권 대학은 학부교육을 연구중심대학으로 가기 위한 부속품 정도로 취급하고, 중하위권 대학에서는 특성화를 통한 차별화에 관심을 기울이지 않은 채 어정쩡한 학부교육을 계속하고 있다. 학생들의 자아를 실현하고 사회에 기여할 수 있는 교육이란 어떤 것인가. 이 질문에 대한 답은 사람에 따라 다양할 것이다. 나는 ‘종합적이고 창조적인 문제해결 능력을 갖춘 인재의 양성’이라고 본다. 이에 따라 현재의 대학교육 방식을 평가하자면 일방적 강의와 필기시험에 의해 지식의 많고 적음만을 평가해 새로운 사회적 변화를 수용하지 못하고 있다. 두뇌 활동이 가장 왕성한 20대에 주입식으로 학점만 생각하면서 공부하고, 누구를 이기기 위해 공부하며, 또 고등학교 교육의 연장선에서 암기나 지식 습득에 허둥대면서 대학 4년을 보낸다면 사회가 기대하는 인재로 성장하지 못하는 게 당연하다. 수업방식 바꿔 창조적 인재 길러야 종합적이고 창조적인 문제 해결 능력을 길러 주는 학부교육의 모형은 이른바 ‘프사이식’ 교육 모형이 적절할 것으로 생각한다. 이는 커리큘럼 개편에 대한 방향을 제시했던 기존의 것들과는 달리 학생들의 창조적 사고능력을 모든 교육의 공통된 기본 목표로 삼아 그 기반에서 심화 전공지식 전수와 소양교육, 나아가 리더십과 같은 사회적으로 새롭게 요구되는 능력까지 쌓아가는 것이다. 특히 창조적 사고능력은 타고나는 게 아니라 체계적 교육으로 얼마든지 기를 수 있다. 이를 인식하고 강의 방식의 변화를 추구하는 것이 절대적으로 필요하다. 수업 방식에서는 교수가 문제를 던지고 학생들이 스스로 해결책을 찾게 한 다음, 정립된 이론과 비교해 차이를 발견하게 하는 토론식 수업도 하나의 기법이 될 수 있다. 연구야 대학교수들이 취향대로 하면 되지만 교육은 나름대로 최선의 방법(Best Practice)이 많이 알려져 있으므로 다양한 방법을 배우고 공유할 필요가 있다. 대학의 교육경쟁력이 대학의 세계화를 위해 가장 중요한 요소가 되고 있다. 서승우 서울대 교수 전기컴퓨터공학부

3. 목차 교수학습 모형과 다양한 학습방법 PBL의 개념과 특성 PBL의 진행방식 PBL의 학습장치

4. 학습자 특성 • 개인차변인: Individual Difference • Intelligence, cognitive control, cognitive style… • 동기(내재적, 외재적) • 인식론적 신념: epistemic belief • 동료 간 상호작용

5. 학습접근법 • Surface Learning • 실패에 대한 두려움이 동기 • 기계적 암기 • Deep Learning • 주제에 대한 흥미 • 주제의 깊이 있는 이해 • Strategic Learning • 좋은 성적, 다른 학생과의 경쟁 • 기계적 암기 혹은 깊이 있는 이해

6. 학습과정 • 동기유발과 동기유지 • 교수방법 • 교수-학습자 상호작용 • 학습자-학습자 상호작용 • 매체-학습자 상호작용 • 자기주도학습 • 평가 … • ?

7. Deep & Lasting Learning

10. Diverse Learning Opportunities in Network Society Education goal shift Creative Learning Knowledge- Sharing in Group Sharing of creative knowledge Community Or group Learning leadership III Creative Organization Shared network Individual learner II Knowledge transfer cognitive Teacher I Objective Industrialization period Information 3rd wave Knowledge-based Society evolution 김종득, Creativity Festival; The third field of higher education, KAIST, 2007. 10. 26.

11. 목차 • 교수학습 모형과 다양한 학습방법 • PBL의 개념과 특성 • PBL의 진행방식 • PBL의 학습장치

12. PBL 가상 예제 • 화학공학과 <공정설계및전산실습> 과목은 PBL 위주로 운영되고 있고, 수강생들 대부분 “PBL이란 무엇인가”라는 의문을 갖고 있다. • 이 강좌의 학습자인 당신은 PBL이라는 말을 들은 적은 있지만, 구체적인 학습방법이나 장단점에 대해서는 아는 것이 별로 없다. • 학습자들은 거의 대부분 교사가 이끌어주는 대로 수동적으로 배우는 전통적인, 주입식 교육방식의 고등학교 출신이다. • 새로운 교육방식에 적응하려는 학습자인 당신은 어떻게 할 것인가?

13. 학습 과정 • 학습자간 토론을 통하여 • 생소한 용어, 개념을 밝히고: PBL? 기본원리? 유래? • Brainstorming으로Idea, Learning Issue, Action Plan 을 도출 • 학생/교수의 역할 • PBL 학습은 기존학습과 무엇이 다른가? • PBL에서의 평가(성적)는? • 인간은 어떻게 배우는가?… • 각자 공부하고 다시 이에 대해 토론

14. PBL의 포괄적 정의 • 학생이 중심이 되어 • 문제를 설명/탐구하는 과정을 통해 • 통합된(문제 중심의) 지식을 습득하는 • 학습방법

15. 정의(Barrows) 소집단 학습자들이 문제를 푸는 과정에서 • 현실에 유용한 지식(Knowledge Base) 획득 • 과학적 推論 능력(Clinical Reasoning) 개발 • 자기주도 학습전략(Self-directed Learning) 습득 • 학습동기(Motivation) 향상 • 협력학습 능력(Collaboration)을 배양

16. 떠먹여주기

17. Foie-Gras (거위간)

18. 스스로 먹는 법 배우기

19. Why PBL? • Deep Learning: FAIR principle • 문제해결능력 • 메타인지 (통합적이고, 종합적 이해 능력) • 구성주의 학습원리 (학습자-교수-동료간 능동적으로 만들어가는 학습) • 직무관련성 (Relevance) FAIR: Feedback, Activity , Individualization and Relevance

20. Why PBL? • 비판적 사고 • 팀워크, 커뮤니케이션, 리더십 • 재미, 동기 • 정보검색, 종합 • 파지와 전이 • 문제학생의 발견

21. 목차 • 교수학습 모형과 다양한 학습방법 • PBL의 개념과 특성 • PBL의 진행방식 • PBL의 학습장치

22. 환경준비 문제제시 가설제안 가설시험 학습과제 도출 행동계획-과제분담 개별학습 공유 학습결과 보고 성찰 PBL의 진행

23. PBL Tutorial Chart

24. 1. 환경준비 • 사회와 서기 • 프로그램 규칙 • 튜터와 학생역할, 시간준수 • 성실한 자율학습, 주된 과제는 모두 학습… • 집단 상호작용 규칙 • 상호존중, 건설적 피드백 • 갈등해소 노력, group dynamic에 기여…

25. 2. 문제제시 • 문제가 어디서 발생했는가? • 그 문제에 대해 이해관계를 가진 사람? • 업무, 조직의 특성? • 조직이 하는 일은? • 인물들의 가치관, 신념, 사회문화적 기대? • 인물들의 배경, 직업? • ...

26. 3. 가설제안 • 이 문제가 생긴 원인은? • 잘못된 가설은 아닌지? • 대체할 만한 다른 가설은? • 다른 아이디어는? • 주어진 정보에서 뭔가 빠져 있는 것은?

27. 4. 가설시험 5. 학습과제 도출 6. 행동계획-과제분담

28. 7. 개별학습 8. 공유 9. 학습결과 보고

29. 10. 성찰 • 개별 피드백 • Group Process에 대한 피드백 • 성찰(Reflection) • PBL 전 과정 • 사유과정 • 학습전략…

30. PBL의 구성 • 학생 5-8명 그룹 • 주당 2-3회의 만남 • Tutor 는 매주 정보 제공 및 진도 파악 • 화이트보드 또는 커다란 용지, 토론용 원탁 • 네트워크 컴퓨터, 참고자료

31. PBL 예제: 김장할 때 소금으로 배추를 절인다.왜 그럴까?

32. 화이트보드 또는 B3 용지

33. 교수의 역할

34. 학생: 청중 Tutor: Sage on the Stage  Guide on the Side 주역(선수)

35. 튜터의 이미지

36. PBL실의 자리배치

37. 튜터가 있어야 할 자리 White Board

38. 튜터의 역할 • PBL의 목표 성취를 위한 조력자 • Supportive Director • Coach • Facilitator • Scaffolder • Feedback giver • 지식 전달자가 아님

39. 흔히 발견되는 튜터의 병리 • 가만히 앉아 있으려니 참을 수 없는 튜터 • 주제와 관련하여 장황한 설교/강의 • 학습자가 헤맬 때 참지 못하고 곧바로 개입 • 잦은 개입으로 집단역동성을 차단 • 피드백을 무자비하게 줌 너희들이 대학생이라니 도저히 ~

40. 평가

41. 평가방법 • 튜터평가: 참여도, 의사소통, 논리성, 정보수집과 활용, 협력성 등 • 동료평가  • MEQ (Modified Essay Questions) • Triple Jump • IPA (Individual Process Assessment) • Concept Map • Reflective Journal

42. 목차 • 교수학습 모형과 다양한 학습방법 • PBL의 개념과 특성 • PBL의 진행방식 • PBL의 학습장치

43. 고려사항 • 환경: 시설(토론실, 도서관), 학교/학생문화, 학점체계/주변의 경쟁적 교과목… • 튜터: 교수스타일/관심/노력… • 집단: 크기/구성… • 학생: 경험/학습스타일/미래의 기대… • 주제: 통합성/현실성, 학생수준/복잡도…

44. 문제 1 1. 질소산화물 (NOx) 은 산성비를 내리게 하고, 대기 스모그를 유발하는 물질이다. 질소산화물은 주로 자동차, 화력발전소, 소각로 등 화석연료 및 유기물의 연소에서발생한다. 이러한 질소산화물의 제거하는 방법 중의 하나는 고온에서 NO 와 NH3를 반응시켜 NO 를 질소 (N2) 와 산소 (O2) 로 분해하는 것이다. 소각로 관리업체에 근무하는 신입사원 A 씨는 질소산화물 제거 기술에 대하여 전반적으로 검토하려 한다. 특히 요소용액을 이용한 질소산화물 (NOx) 제거 반응 (7개의 기상기초반응) 에 대하여 Arrhenius 반응 속도식을 풀고, 온도에 따른 NOx제거율을 실험값과 비교하고, 분석하여 보고서를 제출하려 한다. (문제유형: 반응공학, 필요한 도구: Matlab, Exel, Word, Internet 등).

45. 문제 2 2. 지구상의 석탄 매장량은 약 1조톤으로 전세계에 골고루 분포되어 있다. 중동지역에 집중 매장되어있는 석유는 앞으로 약 40년 더 사용할 것으로 추산하지만, 석탄은 200년으로 내다보고 있다 (구남평, 디지털 타임즈, 2006. 7. 24) . 정유화학 업체의 연구소에 입사한 신입사원 B 씨는 심해지는 에너지 고갈에 대비할 신재생 에너지에 관하여 연구하는 부서에 배치되었다. 특히 이 부서에서는 석탄을 CO 와 H2로 가스화한 다음, 액화를 통하여 석탄으로부터 석유를 생산 (CTL: coal to liquid) 하는 시험공장을 설계 중에 있다. 신입사원 B 씨는 석탄 가스화 공정 중의 하나인 dual circulation fluidized bed (dual CFB) 기술에 대하여전반적으로 조사하고, 이 공정 내부의 고체입자의 수력학적 특성을 CFD (computational fluid dynamics) 를 이용하여 고찰하고자 한다. (문제 유형: 유체역학/신재생에너지, 필요한 도구: Fluent, Matlab, Exel, Word 등)

46. 문제 3 3. 지구온난화의 주범으로 인식되어온 이산화탄소 (CO2) 양의 규제에 대한 전세계적인 움직임이 교토의정서를 통하여 구체화 되어가고 있다 (한겨레신문, 2005. 2. 16). 한국도 탄소거래제의 도입과 함께 이산화탄소 배출 저감을 위해 다각적인 노력을 벌이고 있다. 국내에서 유기성 폐기물 (음식물쓰레기, 축산폐기물 등) 발생량은 1일 약 15만톤으로서 이중 재활용되지 않고 버려지는 양은 2006 년 기준 1일 약 5만톤으로 추산된다 (전국 폐기물 발생 및 처리현황/하수도 통계, 환경부, 2008). 재활용 되지 못하는 유기성 폐기물을 전량 바이오 가스로 생산하여 자동차 연료용 CNG (compressed natural gas) 로 판매할 경우 년간 3000억원의 수익이 창출될 수 있으며, 이산화탄소 수지에서 zero-carbon 을 달성할 수 있다. 음식물 쓰레기 및 축산분뇨의 호기성 발효로 생산되는 바이오가스의 주성분은 대략 80% CH4와 20% CO2로서 자동차 연료용 CNG 로 생산하기 위해서는 98% 이상의 CH4로 정제되어야 하며, 어느 가스정제회사에 근무중인 C 씨는 분리막 기술을 통하여 바이오가스 정제공정을 개발하려 한다. 이에 따라 C 씨는 분리막 물질로서 단가가 저렴한 활성탄 혹은 CMS (carbon molecular sieve) 를 이용하여 CH4와 CO2의 분리 선택도 (permselectivity) 를 문헌을 통하여 조사하고, 분자모사를 통하여 확인하여, 활성탄/CMS 분리막 공정의 성능을 검토하려 한다. (문제 유형: 분리막공정/분자모사/신재생에너지, 필요한 도구: Material Studio, Matlab, Exel, Word 등)

47. 문제 4 4. 의약/정밀화학/정유산업/석유화학 관련 생산업체에서는 증류탑과 같이 에너지 소비가 많은 분리공정보다는 에너지 소비가 상대적으로 적고 고순도 분리가 가능한 연속적 흡착공정에 최근 많은 관심이 쏠리고 있다. 특히 끓는 점이 비슷한 이성질체 분리에서는 증류탑을 이용하여 분리하기가 곤란함으로, 흡착공정 (chromatographic separation) 이 좋은 대안으로 고려될 수 있다. 석유화학단지 (petrochemical complex) 에서는 원유정제 후 생산되는 Naphtha 를 원료로 cracking 을 통하여 ethylene, propylene 등 고분자 원료를 생산한다. 또한 Naphtha cracking 에서는 BTX (benzene, toluene, xylene) 도 생산되며, 이중 xylene 은 3개의 이성질체 (ortho-xyelen, meta-xylene 그리고 para-xylene) 로 생산된다. 하지만, 상업적으로 가치있는 물질은 para-xylene 이며, 3개의 이성질체로 구성된 xylene 혼합물의 분리에서는 연속식 흡착공정인 SMB (simulated moving bed) 를 사용한다. 석유화학업체에 입사한 D 씨는 para-xylene 을 생산하는 SMB 공정관리 부서에서 근무한다. D 씨는 SMB 공정의 원리를 이해하고, 운전흐름을 이해하기 위해 SMB 공정모사기 (process simulator) 를 사용해 보려 한다. (문제 유형: 흡착공정/공정모사/석유화학, 필요한 도구: FAST-Chrom/SMB, Matlab, Exel, Word 등)

48. 발표순서 보고서는 6월 16일 13시 50분 전에 모든 조가 제출

49. 화공종합설계 PBL 과제 평가표 (2011)

50. 제안서 내용 제안서의 내용에는 과제의 필요성 및 목적, 세부 내용, 과제수행 일정, 과제를 통하여 얻고자 하는 성과물, 참고자료 등을 포함해야 한다. 특히 세부내용에는 전공 교과목에서 배운 지식과 제안하는 과제와의 연관성과 본 과제만의 독특한 특성 등에 관하여 설명해야 한다.